車用碳纖維材料（3）——盤點碳纖維複合材料在汽車上的應用

盤點碳纖維在汽車上的應用及發展

碳纖維在汽車上應用優點

1輕量化

碳纖維複合材料具有其他材料不可比擬的比強度和比模量，密度只有1.6g/cm³左右，遠低於鋼鐵和鋁，將其應用於車身及其它零部件的設計可降低整車質量的35%左右，降低燃油消耗，如大眾新推出的採用碳纖維複合材料車身和零部件的XL1車型總質量只有795kg，結合混動技術，百公里油耗僅0.9升。

2耐久性

碳纖維複合材料主要由碳纖維絲束和樹脂材料組成，碳元素化學性質穩定，無需進行表面防腐處理，其耐候性及耐老化性極好，壽命一般為鋼材的2-3倍。採用CFRP材料生產的功能性零部件的疲勞強度也遠高於鋼材。

3安全性

碳纖維複合材料的抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是普通鋼材的5倍，由碳纖維材料製作的駕駛艙在碰撞中變形極小，可有效保護駕乘者的生存空間。經特殊編織的碰撞吸能結構在高速碰撞中碎裂為較小的碎片，吸收大量撞擊能量（能量吸收性為一般鋼材的3倍以上），能有效提高車輛被動安全。

4美觀性

表面只噴塗一層清漆，可以清晰的看見內部的碳纖維絲束經緯或者斜線交叉排列，顯得緻密規整。將碳纖維複合材質應用到車尾擾流板，後視鏡，車頂，儀錶板，副儀錶板，門芯板和方向盤等可視化較高的零部件上，營造出車輛科技運動的視覺效果。

碳纖維複合材料在汽車各系統的應用

隨著汽車輕量化發展理念的不斷深入，各個汽車生產企業也在不斷的開發碳纖維汽車構件。汽車已成為全球第四大碳纖維應用市場，並將在未來五年迎來巨大的市場需求。

目前，碳纖維複合材料在汽車車體和零部件中都得到了廣泛應用。如：汽車車身、內外飾、底盤系統、動力系統等等。下圖為碳纖維複合材料（CFPR）在汽車零部件中的應用情況：

1碳纖維在汽車車身中的應用

碳纖維增強聚合物基複合材料有足夠的強度和剛度，是製造汽車車身的最輕材料。預計碳纖維複合材料的應用可使汽車車身減輕質量40% ～ 60%，相當於鋼結構質量的1/3 ～ 1/6。英國材料系統實驗室曾對碳纖維複合材料減重效果進行研究，結果表明，碳纖維增強聚合物材料車身重172 kg，而鋼製車身質量為368 kg，減重約50%。目前賽車和部分改裝車大多選用碳纖維複合材料車身，在降低重量的同時，因複合材料碰撞時減少了碎片的產生，從而提高了安全性。

應用實例：

• 寶馬i3碳纖維座艙減重50%

• 通用超輕概念車採用碳纖維車身和底盤減重68%

• 斯巴魯WRX STItS採用CFRP車頂，相比鋼板減重80%

2碳纖維在汽車輪轂中的應用

作為保證汽車行駛安全的重要部件之一，輪轂不僅要承受整車重量和載重，還要傳遞驅動和扭矩。這對汽車輪轂的質量要求極高。汽車輪轂要具有較高的強度和抗衝擊性，較好的耐熱和導熱性以及較好的耐久性和安全性。碳纖維複合材料具有優異的力學性能、耐熱性和耐久性，可替代金屬作為輪轂材料。同時，碳纖維材料的使用使得輪轂質量得到降低，有助於減少車輪轉動慣量，使車輛擁有更快的啟動、停止以及轉向速度。

應用實例：

• 福特新一代野馬Shelby GT350R配備了碳纖維輪轂。其重量僅為8.6kg，而一般鋁合金輪轂重量要達到15kg。

• 瑞典柯尼賽格的Agera車型整個輪轂上除了輪胎氣門嘴，其餘部件均為碳纖維打造。在降低約20kg的簧下質量的同時，還保證了堅固和安全。

3碳纖維在剎車系統中的應用

汽車制動器襯片主要使用石棉材料，制動時易摩擦產生高溫，出現性能的熱衰退，而產生的石棉粉塵有致癌危害。碳纖維複合材料的比強度高、耐磨性好、耐熱性好，應用在汽車剎車片上，可作為石棉的替代品。碳纖維制動盤可以在50m內將車速由300KM/h降到50Km/h。碳纖維制動盤可承受2500℃的高溫，且性能穩定。

應用實例：

• Porsche AG等車採用碳纖維制動盤，能在50m內將車速從300km/h降到50km/h

4碳纖維在內外飾中的應用

碳纖維複合材料具有較好的強度、韌性、耐熱性和耐老化性，可改善傳統塑料製品脆性高、耐久性不好的缺點，作為汽車內飾材料使用。碳纖維複合材料還具有較高的強度和剛性、較好的抗衝擊性，可作為金屬材料的替代品運用於汽車外飾構件。同時，碳纖維複合材料具有較好的吸振效果，對撞擊有較大的緩衝作用，且減少撞擊碎片的產生，提高了安全性。此外，碳纖維內外飾材料的使用，除了達到汽車輕量化效果，還簡化了零件製造工藝，降低了零件加工、裝配、維修費用，降低生產成本。

應用實例：

• 寶馬M4配備了碳纖維質地的前後保險杠

• 改裝版賓士G50在外部套件、內外飾等多處使用碳纖維複合材料，在減重的同時動力也得到升級。

5碳纖維在傳動軸中的應用

汽車傳動軸的受力情況比較複雜，尤其要承受很大的扭矩，對材料性能要求較高。碳纖維增強複合材料具有各向異性、比強度高和比模量相對較低的特點，替代金屬材料作為傳動軸可較好的滿足使用需求。碳纖維傳動軸不僅可減輕重量60%，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。

應用實例：

• 豐田86碳纖維傳動軸僅5.53kg，減重50%

• 蘭博基尼第六元素概念車使用碳纖維活塞連桿取代鋼製連接件，重量減輕40%-50%

6碳纖維在進氣系統中的應用

碳纖維複合材料作為汽車進氣系統材料，一方面可減輕重量，達到輕量化的效果；另一方面，碳纖維材料易加工成各種曲面形狀，且表面較為光滑，可有效提高進氣效率。

應用實例：

• 福特FalconXR6 Sprint轎車採用100%碳纖維製造的進氣系統。碳纖維進氣管重235克，而塑料進氣管則為438克。

• 寶馬E82 135i 配備的碳纖維高流量進氣系統，使用高規格製程的雙面碳纖維風箱與管路，可有效隔絕熱源，提供了更穩定的冷空氣來源，提升燃燒效率，釋放高轉速馬力。

車用碳纖維產業發展現狀

1國外車用碳纖維發展概況

國外在碳纖維複合材料方面的發展已初具規模，形成了碳纖維供應商+複合材料供應商+零部件供應商+主機廠的聯盟式產業化布局。最具代表性的就是寶馬公司：寶馬公司是首家將碳纖維複合材料大規模應用於汽車製造的廠商，不僅在新能源汽車i8與i3上採用碳纖維車身還為高性能M車型設計了眾多內外飾的零部件，而碳纖維材質的傳動軸、輪轂、方向盤等功能性零部件也正在應用或者即將應用與旗下眾多車型。此外，豐田、本田、日產和福特等廠家也已經將碳纖維複合材料應用於旗下高性能汽車。而奧迪，賓士等其他廠家廠商也相繼發布了CFRP概念車，將逐步應用於具體車型。下表為國外主機廠與碳纖維供應商的合作現狀：

2國內車用碳纖維發展概況

國內在車用碳纖維方面開發較遲，還未形成產業規模，但在新技術的開發和產業應用方面也在不斷進步：

• 中科院寧波材料技術與工程研究所、化學研究所等單位聯合研製出連續碳纖維複合材料快速熱壓成型成套裝備，及連續碳纖維複合材料汽車部件的自動化設備。效率達到56件/天。

• 中國科學院寧波材料技術與工程研究所與奇瑞汽車聯合打造的碳纖維插電式混合動力車「艾瑞澤7」車型。車身採用CFRP，外殼重量減輕10%，油耗降低7%；車身總體減重達40%～60%后，整體可操控性加強，帶來更為出色的加速感受。

• 北京航空航天大學、北京納盛通新材料科技有限公司、北京中材汽車複合材料有限公司自主設計研發的長碳纖維增強熱塑性(尼龍)複合材料(LCFT)輪轂，與汽車鋁輪轂相比可大幅減重40-60wt%，尺寸精度更高，抗疲勞、抗蠕變、耐熱、耐環境性能等性能更加優異, 生產效率更高、成本更低，且可回收循環使用，該注塑工藝已在保險杠、發動機罩蓋等非承力件大量使用。

• 中國第一個CFRP量產型電動汽車——奧新鹿曦e25，年產8萬輛/年。國內首次在量產汽車上使用全碳纖維材質乘客艙設計，採用HP-RTM和LFT-D複合材料成型工藝。碳纖維整體非承載式車身取消了前處理和中塗等傳統塗裝工藝。通過覆蓋件與內板件粘合形成結構強度功能、優化集成零件模塊，整車零部件數量減少至傳統汽車零部件40%。更加節能和環保。實現了整車製造工藝的顛覆性突破。

碳纖維產品對未來汽車行業的影響

碳纖維複合材料在汽車輕量化上的應用潛力巨大，擁有其他材料不可比擬的密度、比強度、比模量等全方位力學性能，成本、製造工藝及技術等主要瓶頸不斷實現突破下，未來碳纖維複合材料將在汽車產業迎來飛速發展。尤其是新能源汽車將成為碳纖維應用突破，未來五年碳纖維在汽車工業將迎來巨大的市場需求。以下是某機構對車用碳纖維市場的預測分析。

來源：賽奧碳纖維

碳纖維在汽車領域的應用比例將持續增長，其材料的特殊性必將對未來汽車行業帶來革命性的改變。

• 生產過程：採用一體成型技術，新材料高度集成設計，減少零部件數量和模具數量，減少零部件連接等工序，縮短生產周期。特殊的成型工藝及連接工藝取代傳統汽車製造的衝壓、焊裝工藝；

• 售後維修：「剪切式」維修，維修過程中將破損部件換上一個新的總成即可完成修復，避免了傳統車輛維修中的「鈑金」工藝；

• 整車結構：整車模塊化程度更高。由目前的乘員艙模塊向其它部件擴散，減少整車組成

• 外觀油漆：碳纖維特殊的外觀顏色，對傳統的油漆產業也會造成衝擊，未來會針對碳纖維材料設計一系列新的油漆。